Jurnal Elektrostatis 3d6y4j

ELEKTROSTATIS Diah Ayu Padilah (181810201009), Isna Khoirunisa (181810201011), Evitri Indri Yani (181810201020), Edo Sefti Wildan (181810201029), Widya Fatmawati Nurul A. (181810201036) Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu pengetahuan Alam, Universitas Jember ABSTRAK Listrik statis atau elekctrostatis adalah ilmu yang mempelajari tentang pengumpulan muatan listrik dan sifat-sifatnya pada suatu benda. Listrik statis mengisyaratkan bahwa ada gejala listrik yang diam atau tidak mengalir. Elektrostatis timbul akibat adanya fenomena dimana benda-benda yang memiliki aliran listrik saling berpautan tanpa adanya sumber listrik atau dengan kata lain benda tersebut dapat menghasilkan proton atau elektron tanpa menggunakan elemen pembangkit listrik. Elektrostatis dapat ditimbulkan oleh dua benda yang memiliki muatan. Dua benda yang memiliki muatan sejenis akan saling tolak menolak ketika didekatkan satu sama lain. Muatan benda yang berbeda akan mengakibatkan interaksi saling tarik menarik diantara benda tersebut. Interkasi tarik menarik atau tolak menolak ini dikenal sebagai Gaya Coloumb. Permukaan Ekipotensial didefinisikan sebagai permukaan dimana semua titik berada pada potensial yang sama. Beda potensial antara dua titik yang manapun pada permukaan tersebut akan nol dan tidak ada kerja yang dibutuhkan untuk memidahkan sebuaha muatan dari satu titik, ke titik yang lain. Garis ekipotensial merupakan garis yang menghubungkan titik-titik yang memiliki potensial listrik yang sama Kata Kunci : Elektrostatis, Gaya Cloumb, Ekuipotensial 1. PENDAHULUAN Elektrostatik ditemukan pada tahun 1733 oleh Francois du Fay. Francois menemukan

bahwa di alam hanya ada dua jenis muatan saja, yaitu muatan

resinious dan vitrious, dan dua benda yang muatannya sama akan tolak–menolak dan sebaliknya dua benda akan tarik–menarik jika muatannya berbeda. Kemuadian Benyamin Franklin (1706–1790) menemukan kenyataan bahwa dua jenis muatan resinious dan vitrious itu kalau digabungkan akan saling meniadakan seperti halnya dengan bilangan positif dan negatif. Sejak itu muatan resinious disebut muatan listrik negatif dan vitrious disebut dengan muatan listrik positif. Melanjutkan percobaan Michelson dan Carlisle tentang elektrolisa, Michael Faraday (1791–1867) pada tahun 1883 mengemukakan terkuantisasinya muatan listrik menjadi unit–unit muatan, yang kemudian oleh Stoney pada tahun 1874, yang diperkuat oleh J.J. Thomson pada tahun 1897, dihipotesiskan adanya arah pembawa unit muatan listrik yang lalu dinamakan elekron. Sebagai resin, elektron dikatakan menghasilkan muatan listrik negatif maka elektronpun akan bermuatan listrik negatif (Sunaryono, 2010) Elektrostatis adalah gaya yang timbul pada dua benda yang memiliki muatan listrik statik. Jika muatannya sama atau sejenis maka akan saling menolak sementara jika muatannya berlawanan jenis maka akan saling menarik. Gaya elektrostatik adalah reaksi fisik yang memegang bersama medan elektromagnetik yang diciptakan oleh partikel subatomik, seperti elektron dan proton. Agar gaya elektrostatik untuk tetap kohesif, partikel-partikel ini harus independen mempertahankan biaya baik positif dan negatif dan bereaksi satu sama lain sesuai. Gaya elektrostatik antara elektron dan proton adalah salah satu kekuatan terkuat di alam semesta, bahkan lebih kuat daripada gravitasi . Sebuah hidrogen atom, yang hanya berisi satu elektron dan satu proton , memiliki kekuatan fundamental gravitasi menjaga bersama-sama. Namun, setiap partikel subatomik dapat mengembangkan gaya elektrostatik juga, yang menjadi lebih kuat. Dalam fisika, hukum menyatakan bahwa besarnya gaya harus diberikan antara partikel yang 1024 lebih kuat dari gravitasi sederhana. Setiap atom di alam semesta dalam keadaan alami mengandung bahkan jumlah proton dan elektron, menciptakan kehadiran yang kuat dari gaya elektrostatik (Fitriani, 2008) Menurut Haliday (1996), diketahui bahwa apabila dua buah benda bermuatan listrik sejenis didekatkan, maka kedua benda tersebut akan tolak-menolak. Dan

sebaliknya, ketika dua buah benda bermuatan listrik tak sejenis didekatkan, maka kedua benda tersebut akan tarik-menarik. Faktor yang mempengaruhi keadaan dijelaskan oleh seorang ilmuwan fisika bernama Charles Coulomb berdasarkan hasil eksperimen yang telah dilakukannya, yang dikenal dengan sebutan Hukum Coulomb. “Besarnya gaya tarik-menarik atau tolak-menolak antara dua buah benda bermuatan listrik berbanding lurus dengan besar muatan kedua benda, dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua muatan tersebut.” Secara matematik dinyatakan sebagai :

F=k

Q1 . Q2 r2

(1.1)

Konstanta k pada persamaan (4.1) berkaitan dengan permitivitas listrik ruang hampa (0) dan memenuhi hubungan :

k=

1 4 πε 0

(1.2)

Jika nilai 0 = 8,85 × 10-12 C2/Nm2 dimasukkan ke persamaan 1.2, maka nilai konstanta kesebandingan ini diperoleh sebesar k = 9 × 109 Nm2/C2 Medan listrik adalah ruang atau daerah di sekitar muatan listrik, yang masih dipengaruhi gaya listrik. Besaran yang digunakan untuk menyatakan medan listrik disebut kuat medan listrik (E). Arah medan listrik adalah sama dengan arah gaya listrik, yaitu ke luar dari muatan positif dan menuju muatan negatif.

Gambar 1.1 Arah medan listrik di sekitar muatan positif dan negatif Sumber : Serway, 2014 Ada tidaknya muatan listrik di suatu daerah, biasanya diuji dengan cara menyimpan sebuah muatan uji positif di daerah tersebut. Jika muatan uji tersebut mendapat gaya, berarti ada medan listrik di daerah tersebut. Sebaliknya, jika muatan uji tidak mendapat gaya, berarti tidak ada medan listrik di daerah tersebut. Ketika muatan uji mendapat gaya, kuat medan listrik di daerah tersebut didefinisikan sebagai gaya yang dialami muatan uji dibagi oleh besar muatan uji. Secara matematik :

E=

F Q =k 2 q0 r

(1.3)

Keterangan : E q0 Q r k

: : : : :

Kuat Medan Listrik (N/C) Muatan Uji (C) Muatan Sumber (C) Jarak antara Q dan q0 (m) Konstanta Kesebandingan (Nm2/C2)

Kuat medan listrik di suatu titik akibat beberapa sumber muatan titik ditentukan dengan cara menjumlahkan secara vektor semua kuat medan listrik yang ditimbulkan oleh setiap muatan, seperti yang telah dilakukan untuk menghitung Gaya Coulomb pada sebuah muatan oleh beberapa muatan lain (Serway, 2014). Semua zat terbentuk dari atom atom, setiap atom mempunyai inti atom yang terdiri dari proton dan elektron yang mengelilinginya. Proton mempunyai energi listrik (muatan listrik) positif dan elektron mempunyai muatan listrik negatif. Dari perbedaan muatan ini, akan membentuk potensial listrik. Ketika

potensial listrik tidak berubah sama sekali dari satu titik ke titik yang lain, maka medan listrik tidak dapat menunjukan ke arah perpindahan tersebut, ini merupakan gagasan dari garis ekipotensial. Secara spesifik, garis yang menghubungkan semua titik-titik yang berbeda pada potensial listrik yang sama dikenal sebagai garis ekipotensial. Pada percobaan ini akan dilihat bagaimana benda bermuatan mempengaruhi ruang disekitarnya. Untuk melakukannya,akan dibuat gambar yang mengilustrasikan semua informasi yang tersedia tentang muatan dan ruang disekitarnya. Dimana garis-garis medan saling berdekatan jika medan listrik kuat dan garis medan terpisah jauh jika medan listrik relatif lemah. Jadi, banyak informasi yang dapat disampaikan hanya dengan menunjukan lokasi muatan dan menggambar beberapa garis-garis medan di sekitarnya. Juga  bisa digambar garis ekipotensial di sekitar muatan (Kanata, 2008) Menurut Keenan (1980), besaran lain yang berhubungan dengan keberadaan muatan listrik adalah potensial listrik. Berbeda dengan gaya listrik dan medan listrik, potensial listrik adalah besaran skalar, yakni hanya memiliki nilai dan tidak memiliki arah.

Gambar 1.2 Usaha yang diperlukan untuk memindahkan muatan dari titik A ke titik B Sumber : Keenan, 1980 Misalkan ada muatan listrik q yang terperangkap di dalam medan listrik sebesar E. Pada muatan tersebut jelas akan bekerja gaya listrik sebesar F dengan arah searah E. Untuk memindahkan q dari A ke B, diperlukan usaha sebesar W supaya melawan gaya F. Dari hukum kekekalan energi, usaha yang dilakukan untuk memindahkan muatan muatan sama dengan perbedaan energi potensial listrik di titik A dan B. Atau W AB = EP = EPB – EPA. Beda potensial listrik di titik B terhadap titik A didefinisikan sebagai usaha yang diperlukan untuk memindahkan

muatan listrik dari titik A ke titik B dibagi besar muatan yang dipindahkan. Secara matematik :

V BA =V B−V A =

W AB EP B−EP A = q q

(1.4)

Potensial di titik B dapat ditentukan dengan membuat VA = 0. Hal ini dapat dilakukan dengan menghubungkan titik A ke tanah. Dengan demikian, dari persamaan (4.4) diperoleh potensial listrik di titik B :

V B=

EPB q

=k

Q r

(1.5)

Satuan potensial listrik dan beda potensial listrik adalah Joule per Coulomb atau Volt. Muatan positif secara alami bergerak dari potensial tinggi ke potensial rendah. Dan sebaliknya, muatan negatif bergerak dari potensial rendah ke potensial tinggi. Beda potensial ini umumnya dikenal dengan istilah tegangan. Hubungan antara potensial listrik dengan medan listrik adalah :

V AB =E d ⇒ E=

V AB d

(1.6)

Di mana d adalah jarak antara titik A dan B (meter). Garis ekipotensial didefinisikan sebagai garis yang menghubungkan semua titik-titik  yang berbeda pada potensial listrik yang sama, karena energi potensial tidak berubah saat muatan uji bergerak pada permukaan ekipotensial. E harus tegak lurus terhadap permukaan pada setiap titik. Jadi, gaya litrik q0.E selalu tegak lurus terhadap perpindahan muatan yang bergerak diatas permukaan garis medan dan permukaan ekipotensial selalu tegak lurus. Pada umumnya garis medan berupa kurva, dan ekipotensial merupakan permukaaan kurva. Untuk kasus khusus dari medan seragam yang mana garis medan lurus, sejajar dan memenuhi ruang, ekipotensial sejajar bidang, tegak lurus terhadap garis medan (Giancoli, 2001). 2. METODE

Metode yang digunakan dalam Elektrostatis ini adalah 2.1 Alat dan Bahan 1. Satu unit komputer/laptop untuk mengoperasikan perintah-perintah pada Linux 2. Sofware Linux Ubuntu untuk pengoperasian perintah-perintah yang akan dimasukkan 3. Geany untuk penulisan bahasa scripting 4. Gcc untuk compiler listing program dari bahasa C yang bekerja pada platform linux. 5. C++ untuk bahasa pemrograman 2.2 Flowchart Start

Input script

Proses manipulasi elektrostatik (penentuan jumlah muatan dan letak muatan dalam koordinat)

Proses manipulasi elektrostatik (penentuan nilai Q muatan dan initial point)

Output penyelesaian

Finish

2.3 Langkah Kerja 1. Materi teori elektrostatik yang diberikan dibaca dan difahami. 2. Program atau script didalam link yang diberikan dipelajari dengan menjalankan program tersebut. 3. Program dicoba dengan menginputkan nilai-nilai sendiri. 4. Tahapan-tahapan dalam program tersebut dijelaskan didalam jurnal . 5. Jurnal projek dibuat dan dikumpulkan hasilnya pada Dosen pengampu 3. HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1 Hasil Hasil dari Elektrostatis ini adalah sebagai berikut :

Gambar 4.1 Garis Medan Listrik antara 2 muatan yang berbeda jenis

Gambar 4.2 Garis Medan Listrik antara 2 muatan yang sejenis

Gambar 4.3 Garis Medan Listrik antara 4 muatan yang berbeda jenis

Gambar 4.4 Garis Equipotensial antara 2 muatan yang berbeda jenis 3.2 Pembahasan Garis – garis medan listrik yang dibentuk oleh dua benda yang bermuatan merupakan garis khayal yang digunakan untuk menggambarkan interaksi diantara dua benda yang saling bermuatan. Untuk menggambar garis tersebut diperlukan sebuah script atau program. Program yang digunakan pada percobaan ini ada dua macam, yaitu elines.p dan epotential.p. Elines.p digunakan untuk mengetahui bentuk gambar garis medan listrik, sedangkan epotential.p

digunakan

untuk

mengetahui

bentuk

gambar

garis

ekuipotensial pada benda bermuatan. Kedua program ini dijalankan sesuai dengan aturan Hukum Coloumb dan Hukum Gauss. Gambar 4.1 menunjukkan interaksi garis medan listrik antara dua benda yang berbeda muatan. Terlihat garis-garis medan listrik saling terhubung antara muatan satu dan muatan kedua. Hal ini menunjukkan bahwa apabila

kedua benda ini didekatkan dengan jarak tertentu, maka akan terjadi interaksi tarik-menarik. Lain hal nya pada Gambar 4.2, terlihat garis yang dibentuk saling menjauh satu sama lain. Hal ini menunjukkan bahwa interaksi antara dua benda yang sejenis dengan jarak tertentu akan tolak menolak. Muatan pada gambar ini dibuat bermuatan positif semua sehingga menghasilkan interaksi yang tolak menolak. Gambar 4.3 menunjukkan garis medan gaya pada 4 buah muatan yang berbeda. Keempat benda terletak pada suatu bidang dengan koordinat tertentu dan memiliki muatan yang berbeda. Interaksi medan listrik yang terjadi ditunjukkan oleh gambar tersebut. Gambar 4.4 adalah gambar garis interaksi ekuipotensial pada dua benda yang berbeda muatan. Potensial listrik di sekitar dua konduktor yang sama dan bermuatan listrik akan membentuk suatu wilayah tertentu yang memiliki nilai potensial listrik yang sama.Garis ekuipotensial tegak lurus dengan arah medan listrik yang ditentukan dari perbedaan muatan. Dimana garis ekuipotensial adalah garis yang menghubungkan titik-titik berbeda pada potensial yang sama. 4. KESIMPULAN Kesimpulan yang didapatkan adalah interaksi muatan elektrostatis pada benda dapat menghasilkan suatu garis khayal akibat adanya medan listrik diantara kedua benda. Interaksi yang terjadi dapat berupa interaksi tarik-menarik maupun tolak menolak. Garis medan listrik yang dihasilkan pun akan menyesuaikan berdasarkan interaksi yang terjadi. Tarik-menarik terjadi apabila terdapat dua atau lebih muatan yang berbeda jenis, sedangkan tolak-menolak terjadi ketika dua atau lebih muatan yang sejenis. Garis ekuipotensial tegak lurus dengan arah medan listrik yang ditentukan dari perbedaan muatan, dimana garis ekuipotensial adalah garis yang menghubungkan titik-titik berbeda pada potensial yang sama.

DAFTAR PUSTAKA Anagnostopoulos, Konstantinos N. 2016. Computational Physics : A Practical Introduction to Computational Physics and Scientific Computing (Using C+ +). Athens : National Technical University of Athens Fitriani, H. 2008. Dasar- Dasar Fisika Universitas. Jakarta : Erlangga Giancolli, Douglas C. 2001. Fisika. Edisi Kelima Jilid 1. Jakarta : Erlangga Halliday, David. 1996. Fisika Jilid I. Jakarta : Erlangga Kanata, Bulkus dan Teti Zubaidah. 2008. Aplikasi Metode Geolistrik Jenis Konfigurasi Wenner. Jakarta : Erlangga Keenan. 1980. Fisika untuk Universitas Jilid I. Jakarta : Erlangga Serway. 2014. Fisika untuk Sains dan Teknik II. Jakarta : Salemba Sunaryono, M. 2010. Fisika Jilid I. Jakarta : Erlangga

LAMPIRAN

Script eline.p ( versi 1 )

Script eline.p ( versi 1 )

Script epotential.p